[发明专利]用于利用光纤光学接收器通道的干涉测量微型光栅编码器读取头的参考信号产生构造

说明书

技术领域

本发明总体涉及位移感测光学编码器(displacementsensing optical encoders)，更特别地，提供用于利用光纤作为接收器元件(receiver element)的微型光纤光学编码器(miniature fiber optic encoder)的参考信号。 

背景技术

利用光纤光学接收器通道的各种微型光纤光栅编码器是已知的，包括美国专利6,906,315、7,053,362和7,126,696(下文中，称为“‘315、’362和’696专利”)，这些文献中的全部内容均通过引用的方式包含于此。这些微型编码器提供令人满意的可能包括特别小的尺寸、很高的精确度、抗电噪声性和很高速的运行的特征组合。 

很多运动控制和/或位置测量系统等包括用于输入能识别在光栅标度(grating scale)内的特定周期的参考信号的构造。通常与相对于光栅标度固定的特征相对应的参考信号提供消除位置不确定的参考点，否则在增量型位移测量系统中可能发生该位置不确定，该增量型位移测量系统计数信号周期作为远程测量的基础。 

然而，容易地且经济地组合例如包括在上述参考文献中的微型光纤光栅编码器并提供类似的所需特性的参考信号产生构造却不为人所知。这样的参考信号产生构造将是人们所需要的。 

发明内容

提供该概述以简要的形式介绍选择的构思，这些构思在下面的具体实施方式中将进一步进行说明。该概述不是想要确定要求保护的主题的关键特征，也不是想要用来辅助确定要求保护的主题的范围。 

简言之，本发明致力于提供一种用于测量位移的微型光纤光学读取头和标度配置，该微型光纤光学读取头和标度配置还包括可用于提供参考位置指示的微型光纤光学参考信号产生构造。在各个实施例中，该标度包括标度轨迹，该标度轨迹包括提供第一水平零阶反射(例如相位光栅)的第一类型轨迹部分和提供第二水平零阶反射(例如镜，mirror)的参考标记。各个光纤光学参考信号接收器通道包括各自开口(aperture)，该开口根据它们与参考标记的接近度和/或与所述参考标记的重叠度，接收可检测的不同量的零阶反射光，并且光学参考标记信号之间的关系是参考位置的指示。根据本发明的参考标记具有沿着测量轴线方向的长度或边界间隔尺寸，该长度或边界间隔尺寸基于读取头内的某些光纤光学参考信号接收器通道开口的尺寸(例如，大小和间隔)来确定，这在形成的各个参考标记信号之间建立期望的关系。 

在一些构造中，提供参考位置指示的光纤光学读取头和标度轨迹与提供周期性增量测量信号的光纤光学读取头和标度轨迹分开。在一些构造中，积分光纤光学读取头和积分标度轨迹二者都提供参考位置指示和周期性增量测量信号。 

在一些构造中，包括各自开口的各个光纤光学参考信号接收器通道被用于产生较高分辨率参考标记副信号，并且前面所提到的光学参考标记信号被用作较低分辨率参考标记主信号。特别地，几何设计规则(例如，对于大小和间隔)被用于构造用于副信号接收器通道开口的空间过滤掩膜，从而使得它们提 供与在主信号接收器通道的接收区域之外接收到的干涉条纹对应的两个空间周期性副信号。参考标记副信号的空间频率和/或变化率可以是高于参考标记主信号的有效空间频率和/或变化率的若干倍。在一些实施例中，参考标记主信号以100微米的量级在距离上从高值向低值转变。在一些实施例中，副参考标记信号的空间频率是2-4微米的量级，并且它们彼此异相180度。参考标记副信号的“副”交叉点可以被识别(identify)为空间地邻近参考标记主信号的“主”交叉点(该点为主参考标记位置)。在一些实施例中，主交叉点可以被用于以0.2微米量级的分辨率和可重复性识别主参考标记位置。由于参考标记副信号的较高空间频率和/或较高的信号变化率，副交叉点可以用于以20纳米量级的分辨率和可重复性识别副参考位置(提高10×)。 

重要的是，根据本发明的光纤光学参考信号产生构造提供与已知的提供增量测量的微型光纤光学光栅编码器(例如在’696专利中公开的微型光纤光学光栅编码器)的光纤光学参考信号产生构造相似的期望特征。重要地，例如，根据本发明的光纤光学参考信号产生构造能以与’696专利中公开的干涉测量型光纤光学编码器相似或相同的操作间隙(operating gap)使用。另外，根据本发明的光纤光学参考信号产生构造提供了相似的特别小的尺寸、很高的精确度、抗电噪声性和很高速的运行的特征。因此，根据本发明的微型光纤光学参考信号产生构造可与期望的高精确度微型光纤光学增量测量编码器容易地且经济地组合。